c - 未经缓冲的易错测量样本的平均值

Question

我有一个 µC，它可以使用带有 ADC 的传感器来测量温度。由于各种情况，可能会出现读数为 0 (-30°C) 或不可能的大值 (500-1500°C)。我无法修复这些读数如此糟糕的原因(时间关键的 ISR，有时是错误的接线)，所以我必须用一段聪明的代码来修复它。

我想出了这个(代码在 ISR 中被称为 OVERSAMPLENR-times):

#define OVERSAMPLENR 16 //read value 16 times
#define TEMP_VALID_CHANGE 0.15 //15% change in reading is possible
//float raw_tem_bed_value = <sum of all readings>;
//ADC = <AVR ADC reading macro>;
if(temp_count > 1) { //temp_count = amount of samples read, gets increased elsewhere
  float avgRaw = raw_temp_bed_value / temp_count;
  float diff = (avgRaw > ADC ? avgRaw - ADC : ADC - avgRaw) / (avgRaw == 0 ? 1 : avgRaw); //pulled out to shorten the line for SO
  if (diff > TEMP_VALID_CHANGE * ((OVERSAMPLENR - temp_count) / OVERSAMPLENR)) //subsequent readings have a smaller tollerance
    raw_temp_bed_value += avgRaw;
  else
    raw_temp_bed_value += ADC;
} else {
  raw_temp_bed_value = ADC;
}

其中 raw_temp_bed_value 是一个静态全局变量，当 ISR 被触发 16 次时，稍后会读取和处理。

如您所见，我检查当前平均值与新读数之间的差异是否小于 15%。如果是这样，我接受该读数，如果不是，我会拒绝它并添加当前平均值。但如果第一次阅读是不可能的，那么这会严重破坏。

我想到的一个解决方案是:在最后一行中，raw_temp_bed_value 重置为第一个 ADC 读数。最好将其重置为 raw_temp_bed_value/OVERSAMPLENR。所以我不会遇到“第一次读取错误”。

您还有更好的解决方案吗？我认为一些解决方案具有移动平均线并使用移动平均线的平均值，但这将需要额外的阵列/RAM/周期，这是我们想要防止的。

Answer 1

我经常使用我所说的采样变化率。使用一个变量来表示达到特定值所需的样本数量，例如 20。然后继续将样本差异添加到除以变化率的变量中。您仍然可以使用阈值来过滤掉不太可能的值。

float RateOfChange = 20;
float PreviousAdcValue = 0;
float filtered = FILTER_PRESET;

while(1)
{
    //isr gets adc value here        
    filtered = filtered + ((AdcValue - PreviousAdcValue)/RateOfChange);
    PreviousAdcValue = AdcValue;
    sleep();
}

请注意，这并不完全像低通滤波器，它响应更快，并且最后添加的值最重要。但如果单个值超出太多，则不会发生太大变化，具体取决于变化率。

您还可以将过滤后的值预设为合理的值。这可以防止疯狂的启动行为。

最多需要 RateOfChange 样本才能达到稳定值。例如，您可能希望通过使用计数器来计算采样的数量，以确保在此之前不使用过滤值。如果计数器低于RateOfChange，则跳过处理温度控制。

对于更高级的(温度)控制例程，我强烈建议研究 PID 控制回路。它们增加了大量的功能，以获得快速、稳定的响应，有效地将物体保持在一定的温度，并将振荡保持在最低限度。我在自己的项目中使用了 Marlin 固件中使用的那个，并且效果很好。